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Java NIO的介紹及工作原理

 針對傳統(tǒng)I/O 工作模式的不足，NIO 工具包提出了基于Buffer（緩沖區(qū)）、Channel（通道）、Selector（選擇器）的新模式；Selector（選擇器）、可選擇的Channel（通道）和SelectionKey（選擇鍵）配合起來使用，可以實現(xiàn)并發(fā)的非阻塞型I/O 能力。

創(chuàng)新互聯(lián)成立以來不斷整合自身及行業(yè)資源、不斷突破觀念以使企業(yè)策略得到完善和成熟，建立了一套“以技術(shù)為基點，以客戶需求中心、市場為導(dǎo)向”的快速反應(yīng)體系。對公司的主營項目，如中高端企業(yè)網(wǎng)站企劃 / 設(shè)計、行業(yè) / 企業(yè)門戶設(shè)計推廣、行業(yè)門戶平臺運營、成都app軟件開發(fā)、手機網(wǎng)站制作設(shè)計、微信網(wǎng)站制作、軟件開發(fā)、托管服務(wù)器等實行標(biāo)準(zhǔn)化操作，讓客戶可以直觀的預(yù)知到從創(chuàng)新互聯(lián)可以獲得的服務(wù)效果。

NIO 工具包的成員

Buffer（緩沖器）

Buffer 類是一個抽象類，它有7 個子類分別對應(yīng)于七種基本的數(shù)據(jù)類型：ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer 和ShortBuffer。每一個Buffer對象相當(dāng)于一個數(shù)據(jù)容器，可以把它看作內(nèi)存中的一個大的數(shù)組，用來存儲和提取所有基本類型(boolean 型除外)的數(shù)據(jù)。Buffer 類的核心是一塊內(nèi)存區(qū)，可以直接對其執(zhí)行與內(nèi)存有關(guān)的操作，利用操作系統(tǒng)特性和能力提高和改善Java 傳統(tǒng)I/O 的性能。

Channel（通道）

Channel 被認為是NIO 工具包的一大創(chuàng)新點，是(Buffer)緩沖器和I/O 服務(wù)之間的通道，具有雙向性，既可以讀入也可以寫出，可以更高效的傳遞數(shù)據(jù)。我們這里主要討論ServerSocketChannel 和SocketChannel，它們都繼承了SelectableChannel，是可選擇的通道，分別可以工作在同步和異步兩種方式下（這里的可選擇不是指可以選擇兩種工作方式，而是指可以有選擇的注冊自己感興趣的事件）。當(dāng)通道工作在同步方式時，它的功能和編程方法與傳統(tǒng)的ServerSocket、Socket 對象相似；當(dāng)通道工作在異步工作方式時，進行輸入輸出處理不必等到輸入輸出完畢才返回，并且可以將其感興趣的（如：接受操作、連接操作、讀出操作、寫入操作）事件注冊到Selector 對象上，與Selector 對象協(xié)同工作可以更有效率的支持和管理并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)套接字連接。

Selector（選擇器）和SelectionKey（選擇鍵）

各類 Buffer 是數(shù)據(jù)的容器對象；各類Channel 實現(xiàn)在各類Buffer 與各類I/O 服務(wù)間傳輸數(shù)據(jù)。Selector 是實現(xiàn)并發(fā)型非阻塞I/O 的核心，各種可選擇的通道將其感興趣的事件注冊到Selector 對象上，Selector 在一個循環(huán)中不斷輪循監(jiān)視這各些注冊在其上的Socket 通道。SelectionKey 類則封裝了SelectableChannel 對象在Selector 中的注冊信息。當(dāng)Selector 監(jiān)測到在某個注冊的SelectableChannel 上發(fā)生了感興趣的事件時,自動激活產(chǎn)生一個SelectionKey對象,在這個對象中記錄了哪一個SelectableChannel 上發(fā)生了哪種事件，通過對被激活的SelectionKey 的分析,外界可以知道每個SelectableChannel 發(fā)生的具體事件類型,進行相應(yīng)的處理。

NIO 工作原理

通過上面的討論，我們可以看出在并發(fā)型服務(wù)器程序中使用NIO，實際上是通過網(wǎng)絡(luò)事件驅(qū)動模型實現(xiàn)的。我們應(yīng)用Select 機制，不用為每一個客戶端連接新啟線程處理，而是將其注冊到特定的Selector 對象上，這就可以在單線程中利用Selector 對象管理大量并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)連接，更好的利用了系統(tǒng)資源；采用非阻塞I/O 的通信方式，不要求阻塞等待I/O 操作完成即可返回，從而減少了管理I/O 連接導(dǎo)致的系統(tǒng)開銷，大幅度提高了系統(tǒng)性能。

當(dāng)有讀或?qū)懙热魏巫缘氖录l(fā)生時，可以從Selector 中獲得相應(yīng)的SelectionKey ， 從SelectionKey 中可以找到發(fā)生的事件和該事件所發(fā)生的具體的SelectableChannel，以獲得客戶端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。由于在非阻塞網(wǎng)絡(luò)I/O 中采用了事件觸發(fā)機制，處理程序可以得到系統(tǒng)的主動通知，從而可以實現(xiàn)底層網(wǎng)絡(luò)I/O 無阻塞、流暢地讀寫，而不像在原來的阻塞模式下處理程序需要不斷循環(huán)等待。使用NIO，可以編寫出性能更好、更易擴展的并發(fā)型服務(wù)器程序。

并發(fā)型服務(wù)器程序的實現(xiàn)代碼

應(yīng)用 NIO 工具包，基于非阻塞網(wǎng)絡(luò)I/O 設(shè)計的并發(fā)型服務(wù)器程序與以往基于阻塞I/O 的實現(xiàn)程序有很大不同，在使用非阻塞網(wǎng)絡(luò)I/O 的情況下，程序讀取數(shù)據(jù)和寫入數(shù)據(jù)的時機不是由程序員控制的，而是Selector 決定的。下面便給出基于非阻塞網(wǎng)絡(luò)I/O 的并發(fā)型服務(wù)器程序的核心代碼片段：

 
 
 
      
  
  
  1. import java.io.*； //引入Java.io包 
    2.   
  
  
  2. import java.net.*； //引入Java.net包 
    3.   
  
  
  3. import java.nio.channels.*； //引入Java.nio.channels包 
    4.   
  
  
  4. import java.util.*； //引入Java.util包 
    5.   
  
  
  5. public class TestServer implements Runnable 
    6.   
  
  
  6. { 
    7.   
  
  
  7. /** 
    8.   
  
  
  8. * 服務(wù)器Channel對象，負責(zé)接受用戶連接 
    9.   
  
  
  9. */ 
    10.   
  
  
  10. private ServerSocketChannel server； 
    11.   
  
  
  11. /** 
    12.   
  
  
  12. * Selector對象，負責(zé)監(jiān)控所有的連接到服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)事件的發(fā)生 
    13.   
  
  
  13. */ 
    14.   
  
  
  14. private Selector selector； 
    15.   
  
  
  15. /** 
    16.   
  
  
  16. * 總的活動連接數(shù) 
    17.   
  
  
  17. */ 
    18.   
  
  
  18. private int activeSockets； 
    19.   
  
  
  19. /** 
    20.   
  
  
  20. * 服務(wù)器Channel綁定的端口號 
    21.   
  
  
  21. */ 
    22.   
  
  
  22. private int port ； 
    23.   
  
  
  23. /** 
    24.   
  
  
  24. * 
    25.   
  
  
  25. * 構(gòu)造函數(shù) 
    26.   
  
  
  26. */ 
    27.   
  
  
  27. public TestServer()throws IOException 
    28.   
  
  
  28. { 
    29.   
  
  
  29. activeSockets=0； 
    30.   
  
  
  30. port=9999；//初始化服務(wù)器Channel綁定的端口號為9999 
    31.   
  
  
  31. selector= Selector.open()；//初始化Selector對象 
    32.   
  
  
  32. server=ServerSocketChannel.open()；//初始化服務(wù)器Channel對象 
    33.   
  
  
  33. ServerSocket socket=server.socket()；//獲取服務(wù)器Channel對應(yīng)的//ServerSocket對象 
    34.   
  
  
  34. socket.bind(new InetSocketAddress(port))；//把Socket綁定到監(jiān)聽端口9999上 
    35.   
  
  
  35. server.configureBlocking(false)；//將服務(wù)器Channel設(shè)置為非阻塞模式 
    36.   
  
  
  36. server.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT)；//將服務(wù)器Channel注冊到 
    37.   
  
  
  37. Selector對象，并指出服務(wù)器Channel所感興趣的事件為可接受請求操作 
    38.   
  
  
  38. } 
    39.   
  
  
  39. public void run() 
    40.   
  
  
  40. { 
    41.   
  
  
  41. while(true) 
    42.   
  
  
  42. { 
    43.   
  
  
  43. try 
    44.   
  
  
  44. { 
    45.   
  
  
  45. /** 
    46.   
  
  
  46. *應(yīng)用Select機制輪循是否有用戶感興趣的新的網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生，當(dāng)沒有 
    47.   
  
  
  47. * 新的網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生時，此方法會阻塞，直到有新的網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生為止 
    48.   
  
  
  48. */ 
    49.   
  
  
  49. selector.select()； 
    50.   
  
  
  50. } 
    51.   
  
  
  51. catch(IOException e) 
    52.   
  
  
  52. { 
    53.   
  
  
  53. continue；//當(dāng)有異常發(fā)生時，繼續(xù)進行循環(huán)操作 
    54.   
  
  
  54. } 
    55.   
  
  
  55. /** 
    56.   
  
  
  56. * 得到活動的網(wǎng)絡(luò)連接選擇鍵的集合 
    57.   
  
  
  57. */ 
    58.   
  
  
  58. Set keys=selector.selectedKeys()； 
    59.   
  
  
  59. activeSockets=keys.size()；//獲取活動連接的數(shù)目 
    60.   
  
  
  60. if(activeSockets==0) 
    61.   
  
  
  61. { 
    62.   
  
  
  62. continue；//如果連接數(shù)為0，則繼續(xù)進行循環(huán)操作 
    63.   
  
  
  63. } 
    64.   
  
  
  64. /** 
    65.   
  
  
  65. /** 
    66.   
  
  
  66. * 應(yīng)用For—Each循環(huán)遍歷整個選擇鍵集合 
    67.   
  
  
  67. */ 
    68.   
  
  
  68. for(SelectionKey key :keys) 
    69.   
  
  
  69. { 
    70.   
  
  
  70. /** 
    71.   
  
  
  71. * 如果關(guān)鍵字狀態(tài)是為可接受，則接受連接，注冊通道，以接受更多的* 
    72.   
  
  
  72. 事件，進行相關(guān)的服務(wù)器程序處理 
    73.   
  
  
  73. */ 
    74.   
  
  
  74. if(key.isAcceptable()) 
    75.   
  
  
  75. { 
    76.   
  
  
  76. doServerSocketEvent(key)； 
    77.   
  
  
  77. continue； 
    78.   
  
  
  78. } 
    79.   
  
  
  79. /** 
    80.   
  
  
  80. * 如果關(guān)鍵字狀態(tài)為可讀，則說明Channel是一個客戶端的連接通道， 
    81.   
  
  
  81. * 進行相應(yīng)的讀取客戶端數(shù)據(jù)的操作 
    82.   
  
  
  82. */ 
    83.   
  
  
  83. if(key.isReadable()) 
    84.   
  
  
  84. { 
    85.   
  
  
  85. doClientReadEvent(key)； 
    86.   
  
  
  86. continue； 
    87.   
  
  
  87. } 
    88.   
  
  
  88. /** 
    89.   
  
  
  89. * 如果關(guān)鍵字狀態(tài)為可寫，則也說明Channel是一個客戶端的連接通道， 
    90.   
  
  
  90. * 進行相應(yīng)的向客戶端寫數(shù)據(jù)的操作 
    91.   
  
  
  91. */ 
    92.   
  
  
  92. if(key.isWritable()) 
    93.   
  
  
  93. { 
    94.   
  
  
  94. doClinetWriteEvent(key)； 
    95.   
  
  
  95. continue； 
    96.   
  
  
  96. } 
    97.   
  
  
  97. } 
    98.   
  
  
  98. } 
    99.   
  
  
  99. } 
    100.   
  
  
  100. /** 
    101.   
  
  
  101. * 處理服務(wù)器事件操作 
    102.   
  
  
  102. * @param key 服務(wù)器選擇鍵對象 
    103.   
  
  
  103. */ 
    104.   
  
  
  104. private void doServerSocketEvent(SelectionKey key) 
    105.   
  
  
  105. { 
    106.   
  
  
  106. SocketChannel client=null； 
    107.   
  
  
  107. try 
    108.   
  
  
  108. { 
    109.   
  
  
  109. ServerSocketChannel server=(ServerSocketChannel)key.channel()； 
    110.   
  
  
  110. client=server.accept()； 
    111.   
  
  
  111. if(client==null) 
    112.   
  
  
  112. { 
    113.   
  
  
  113. return； 
    114.   
  
  
  114. } 
    115.   
  
  
  115. client.configureBlocking(false)；//將客戶端Channel設(shè)置為非阻塞型 
    116.   
  
  
  116. /** 
    117.   
  
  
  117. /** 
    118.   
  
  
  118. * 將客戶端Channel注冊到Selector對象上，并且指出客戶端Channel所感 
    119.   
  
  
  119. * 興趣的事件為可讀和可寫 
    120.   
  
  
  120. */ 
    121.   
  
  
  121. client.register(selector,SelectionKey.OP_READ|SelectionKey.OP_READ)； 
    122.   
  
  
  122. }catch(IOException e) 
    123.   
  
  
  123. { 
    124.   
  
  
  124. try 
    125.   
  
  
  125. { 
    126.   
  
  
  126. client.close()； 
    127.   
  
  
  127. }catch(IOException e1){} 
    128.   
  
  
  128. } 
    129.   
  
  
  129. } 
    130.   
  
  
  130. /** 
    131.   
  
  
  131. * 進行向客戶端寫數(shù)據(jù)操作 
    132.   
  
  
  132. * @param key 客戶端選擇鍵對象 
    133.   
  
  
  133. */ 
    134.   
  
  
  134. private void doClinetWriteEvent(SelectionKey key) 
    135.   
  
  
  135. { 
    136.   
  
  
  136. 代碼實現(xiàn)略； 
    137.   
  
  
  137. } 
    138.   
  
  
  138. /** 
    139.   
  
  
  139. * 進行讀取客戶短數(shù)據(jù)操作 
    140.   
  
  
  140. * @param key 客戶端選擇鍵對象 
    141.   
  
  
  141. */ 
    142.   
  
  
  142. private void doClientReadEvent(SelectionKey key) 
    143.   
  
  
  143. { 
    144.   
  
  
  144. 代碼實現(xiàn)略； 
    145.   
  
  
  145. } 
    146.   
  
  
  146. } 
    147.

從上面對代碼可以看出，使用非阻塞性I/O進行并發(fā)型服務(wù)器程序設(shè)計分三個部分：1.向Selector對象注冊感興趣的事件；2.從Selector中獲取所感興趣的事件；3.根據(jù)不同的事件進行相應(yīng)的處理。

結(jié)  語

通過使用NIO 工具包進行并發(fā)型服務(wù)器程序設(shè)計，一個或者很少幾個Socket 線程就可以處理成千上萬個活動的Socket 連接，大大降低了服務(wù)器端程序的開銷；同時網(wǎng)絡(luò)I/O 采取非阻塞模式，線程不再在讀或?qū)憰r阻塞，操作系統(tǒng)可以更流暢的讀寫數(shù)據(jù)并可以更有效地向CPU 傳遞數(shù)據(jù)進行處理，以便更有效地提高系統(tǒng)的性能。


名稱欄目：Java NIO的介紹及工作原理
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